(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁基板と実装部品との間に介在されるはんだ層にクラックが発生し難く、しかもその表面に積層された絶縁層の熱抵抗が小さい絶縁基板を提供する。【解決手段】その表面に半導体素子が実装される絶縁基板１０が、半導体材料からなるベース基板１１と、ベース基板上に積層された絶縁層１２と、絶縁層上に積層された金属層１４と、から成る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その表面に半導体素子が実装される絶縁基板であって、半導体材料からなるベース基板と、該ベース基板上に積層された絶縁層と、該絶縁層上に積層された金属層と、から成ることを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】
前記絶縁層は、少なくとも前記半導体素子の基板及び前記ベース基板の何れか一方と同じ元素を含む請求項１に記載の絶縁基板。
【請求項３】
前記ベース基板の半導体材料は前記半導体素子の基板と同じ元素を含み、前記絶縁層は前記半導体素子の基板と同じ元素を含む請求項２に記載の絶縁基板。
【請求項４】
前記ベース基板及び前記絶縁層の何れか一方に形成した凹部に他方の一部を入り込ませ、前記絶縁層及び前記金属層の何れか一方に形成した凹部に他方の一部を入り込ませている請求項１に記載の絶縁基板。
【請求項５】
前記金属層は、前記絶縁層の上方に部分的に形成されている請求項１に記載の絶縁基板。
【請求項６】
前記絶縁層は、前記ベース基板上に、厚さが異なる部分を有する請求項１に記載の絶縁基板。
【請求項７】
前記絶縁層の厚さは、高温発熱部品の搭載部分がそれ以外の部分よりも薄い請求項６に記載の絶縁基板。
【請求項８】
前記絶縁層の厚さは、絶縁耐圧必要部品の実装部分がそれ以外の部分よりも厚い請求項６に記載の絶縁基板。
【請求項９】
前記絶縁層の厚さが、厚い部分と薄い部分との境界部で漸変している請求項７又は８に記載の絶縁基板。
【請求項１０】
前記異なる厚さの絶縁層はＬＯＣＯＳ形成方法で形成された請求項９に記載の絶縁基板。
【請求項１１】
更に、パターニングされた前記金属層の上に、金属リードフレームが実装されている請求項５に記載の絶縁基板。
【請求項１２】
前記リードフレームは矩形状の前記半導体素子の少なくとも二辺を取り囲む形状を持つ請求項１１に記載の絶縁基板。
【請求項１３】
前記半導体素子と前記リードフレームとの間のすきまにもはんだ層が充填されている請求項１２に記載の絶縁基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、その表面に半導体素子等を実装する絶縁基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ベース基板上に半導体素子が実装された半導体装置において、ベース基板を通しての漏電等を防止すべく、ベース基板と半導体素子とを絶縁する必要がある。そのためにベース基板に絶縁層が形成される。
【０００３】
従来の半導体装置用基板（特許文献１参照）は、図６に示すように、表面が研磨された銅合金基材１００の表面に無機質の絶縁薄膜層１０１を形成している。絶縁薄膜層１０１にはんだ層により半導体素子１０３を実装すると共に、薄膜配線１０４を作り出し、両者をワイヤボンディング１０６で接続している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２１６６８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記銅合金基材１０に形成された絶縁薄膜層１０１は所定の放熱及び絶縁耐圧を実現する上で、以下の不具合がある。まず、半導体素子１０３の作動時は温度が上昇し非作動時は温度が下降する温度サイクルの繰り返しにより、はんだ層にクラックが発生することがある。これは、はんだ層の表面が接触した半導体素子１０３（特にその基板）の熱膨張係数が、裏面が接触した絶縁薄膜層１０１の下部の金属（例えば銅合板）基材の熱膨張係数とは大きく異なることによる。このように、大きさの異なる膨張と収縮とがはんだ層の両面で繰り返される結果、はんだ層にクラックが発生し易くなる。
【０００６】
また、絶縁耐圧が大きい半導体素子１０３を基準にして絶縁薄膜層１０１の厚さを決めているので、絶縁薄膜層１０１の厚さが一律で全体的に厚くなり、他に搭載した部品も熱抵抗が全体的に高くなり易い（異ならせる旨の記載はない）。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、絶縁基板と実装部品との間に介在されるはんだ層にクラックが発生に難く、しかもその表面に積層された絶縁層の熱抵抗が小さい絶縁基板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁基板のベース基板や絶縁層の材料を半導体素子（特にその基板）の材料との関係で選択し、ベース基板、絶縁層及び金属層間の結合力を向上させ、搭載又は実装される部品との関係で絶縁層の厚さを選定した。
【０００９】
本発明による半導体素子実装用絶縁基板は、請求項１に記載したように、その表面に半導体素子が実装される絶縁基板が、半導体材料からなるベース基板と、ベース基板上に積層された絶縁層と、絶縁層上に積層された金属層と、から成ることを特徴とする。
【００１０】
この絶縁基板は、半導体素子の作動時に発生する熱を放熱するとともに、半導体素子に接続された端子を流れる電流の漏れ（漏電）を防止する。
【００１１】
請求項２の絶縁基板は、請求項１において、絶縁層は、少なくとも半導体素子の基板及びベース基板の何れか一方と同じ元素を含む。請求項３の絶縁基板は、請求項２において、ベース基板の半導体材料は半導体素子の基板と同じ元素を含み、絶縁層は半導体素子の基板と同じ元素を含む。
【００１２】
請求項４の絶縁基板は、請求項１において、ベース基板及び絶縁層の何れか一方に形成した凹部に他方の一部を入り込ませ、絶縁層及び金属層の何れか一方に形成した凹部に他方の一部を入り込ませている。請求項５の絶縁基板は、請求項１において、金属層は、絶縁層の上方に部分的に形成されている。請求項６の絶縁基板は、請求項１において、絶縁層は、ベース基板上に、厚さが異なる部分を有する。
【００１３】
請求項７の絶縁基板は請求項６において、絶縁層の厚さは、高温発熱部品の搭載部分がそれ以外の部分よりも薄い。請求項８の絶縁基板は、請求項６において、絶縁層の厚さは、絶縁耐圧必要部品の実装部分がそれ以外の部分よりも厚い。請求項９の絶縁基板は、請求項７又は８において、絶縁層の厚さが、厚い部分と薄い部分との境界部で漸変している。請求項１０の絶縁基板は、請求項９において、異なる厚さの絶縁層はＬＯＣＯＳ形成方法で形成され
請求項１１の絶縁基板は、請求項５において、更に、パターニングされた金属層の上に、金属リードフレームが実装されている。請求項１２の絶縁基板は、請求項１１において、リードフレームは矩形状の半導体素子の少なくとも二辺を取り囲む形状を持つ。請求項１３の絶縁基板は、請求項１２において、半導体素子とリードフレームとの間のすきまにもはんだ層が充填されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜半導体素子＞
半導体素子の基板はＳｉ，ＧａＡｓ，ＳｉＣ，Ｇｅ，ＳｉＧｅ，ＧａＮ又はＧａＡｌＡｓ等から成る。なお、単結晶の半導体基板のみならず、発光素子等の化合物半導体全般が含まれる。
＜絶縁基板＞
絶縁基板はベース基板、絶縁層及び金属層を含む。ベース基板は半導体素子の基板と同じ元素を含み、例えばＳｉ，ＧａＡｓ，ＳｉＣ，Ｇｅ，ＳｉＧｅ，ＧａＮ又はＧａＡｌＡｓ等から成る。なお、単結晶の半導体のみならず発光素子等の化合物半導体全般が含まれる。
【００１５】
絶縁層は、半導体素子の基板又はベース基板に含まれる元素を含み、例えばＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４，ＰＳＧ，ＢＰＳＧ，珪素化合物、ダイヤモンド又はサフャイヤ等から成る。なお、絶縁層は半導体素子の基板と同じ元素を含むことが望ましい。また、絶縁層は単層のみでなく、複層で形成されても良い。ベース基板と絶縁層との結合強度を向上させるために、何れか一方に形成した複数の凹部又は凹溝に、何れか他方に形成した複数の凸部又は凸部を入り込ませても良い。
【００１６】
絶縁層の厚さは放熱性との関係で決めることができる。高温発熱部品（半導体素子）の搭載部分の厚さはそれ以外の部分の下方部分よりも薄くする。一方、絶縁層の厚さは必要とされる絶縁耐圧との関係で決めることもできる。絶縁耐圧必要部品（半導体素子）の実装部分の厚さはそれ以外の部分の下方部分よりも厚くする。厚さは厚い部分と薄い部分との境界部で漸変する。なお、場所により厚さの異なる絶縁層はＬＯＣＯＳ形成で形成できる。
【００１７】
金属層はＮｉ，Ａｌ，Ｍｏ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｔｉ又はＣｕ等と、これらの合金から成る。金属層をパターニングすることにより配線が形成される。なお、金属層は単層のみでなく複層で形成されても良い。
【００１８】
絶縁層と金属層との結合強度を向上させるために、何れか一方に形成した複数の凹部又は凹溝に、何れか他方に形成した複数の凸部又は凸条を入り込ませることができる。
＜はんだ層、リードフレーム＞
パターニングされた金属層の上の、半導体素子が実装されていない部分に金属リードフレームを実装することができる。リードフレームはＣｕ等の金属にＮｉ（Ｐ等を含んでも良い）メッキを施したものから成り、矩形状の半導体素子の少なくとも二辺を取り囲む形状を持つことができる。具体的にはＬ字形状、コ字形状又はロ字形状のリードフレームが採用できる。
【００１９】
半導体素子及びリードフレームはＳｎ系等のはんだ層や、Ａｇペースト等を介して金属層上に実装される。なお、はんだ層は半導体素子とリードフレームとの間の隙間にも充填させることができる。
【００２０】
本発明は、ベース基板及び絶縁層が特定の材料から成る絶縁基板に関する。但し、実際の半導体装置を考慮すると、絶縁基板の材料の選定に関する特徴に更に、絶縁層の厚さ等の具体的特徴及び／又はリードフレームやはんだ層の具体的特徴を加えたもの（半導体装置）を発明と捕らえることもできる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施例＞
（構成）
図１、図２及び図３に第１実施例による半導体装置を示す。図１は斜視図（一部破断）、図２は平面図、そして図３は断面図である。この半導体装置は絶縁基板１０、この絶縁基板１０上に実装された半導体素子２０及びリードフレーム３０等から成る。
【００２２】
このうち、絶縁基板１０は矩形状で、ベース基板１１と、絶縁層１２と、金属層１４，１５及び１６等とを含む。ベース基板１１はＳｉＣから成り、その表面全体に積層された絶縁層１２はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）から成る。アルミニウム及びニッケル（Ａｌ＋Ｎｉ）から成る２層の金属層１４から１６等はエッチングにより形成された後パターニングされたものである。半導体素子２５の下方に位置する金属層１４、エミッタ端子４７及び制御端子４８の下方に位置する金属層１５及び１６、リードフレーム３０の下方に位置する金属層１７，１８を含む。
【００２３】
金属層１４にＳｎ系合金から成るはんだ層４１，４２及び４３等で半導体素子２５及びリードフレーム３０が接合されている。半導体素子２５は矩形状でＳｉＣから成る基板を含む。
【００２４】
リードフレーム３０は細長い矩形状を持ち、一端部（図２で左半分）３１が半導体素子２５と併置されている。金属層１７にはんだ層４２で接合された一端部３１に端子４９が結合され、絶縁基板１０の一側部から横方向（図２で上方向）に突出している。
【００２５】
リードフレーム３０の他端部３３は矩形孔を区画する３つの枠部分３４，３５及び３６を持つ。矩形孔内に半導体素子２５が配置され、金属層１５から１８にはんだ層４２，４３等で接合された３つの枠部分３４から３６が半導体素子２５を取り囲んでいる。金属層１５から１８にはまた、合金から成るはんだ層（不図示）で端子４７及び端子４８の一端が接合されている。端子４７の一端は枠部分３４に近接し、端子４８の一端は枠部分３６に近接している。
【００２６】
半導体素子２５の一側面２６ａとリードフレーム３０の枠部分３４との間、及び他側面２６ｂと枠部分３６との間にもそれぞれはんだ層４４ａ及び４４ｂが充填されている。また、半導体素子２５の一端面２７ａとリードフレームの一端部３１との間、及び他端面２７ｂと枠部分３５との間にもそれぞれはんだ層４４ｃ及び４４ａが充填されている。
【００２７】
半導体素子２５の表面とエミッタ端子４７及び制御端子４８とがそれぞれアルミニウム製のワイヤボンディング５１及び５２により接続されている。なお、絶縁基板１０、半導体素子２５、リードフレーム３０等は樹脂モールド（不図示）により封止、一体化している。
（効果）
第１実施例によれば、以下の効果が得られる。第１に、熱ストレスによるはんだ層４１から４３のクラックの発生が防止できる。半導体素子２５の基板と絶縁基板１０との間に位置するはんだ層４１は、基板に接触する表面側の熱膨張・収縮量と、絶縁基板１０のベース基板１１に接触する裏面側の熱膨張・収縮量との差が小さいからである。
【００２８】
これは、半導体素子２５の基板の材料（ＳｉＣ）を絶縁基板１０のベース基板１１の材料（ＳｉＣ）、及び絶縁層１２の材料（ＳｉＯ２）に含ませた、換言すれば、ベース基板１１及び絶縁層１２は半導体素子２５の基板と同じ材料（Ｓｉ）を含むことにより実現された。
【００２９】
第２に、半導体素子と端子４７、端子４９及び端子４９との各端子間の電気的抵抗が小さくできる。これは、半導体素子２５の一側面２６ａ、他側面２６ｂとリードフレーム３０の枠部分３４及び３６との間、並びに半導体素子２５の一端面２７ａ及び他端面２７ｂとリードフレーム３０の一端部３１及び枠部分３５との間に、それぞれ導電材料であるはんだ層４４ａから４４ｄを充填したからである。
＜第２実施例＞
図４に本発明の第２実施例を示す。第２実施例は、絶縁基板６０の絶縁層６２の厚さがベース基板６１上の場所即ち絶縁基板６０に実装される半導体素子２５やリードフレーム３０との関係で異なる。詳述すると、絶縁層６２の厚さは半導体素子２５の下側に位置する矩形部分６３では薄く、リードフレーム３０の下側に位置する部分６４を含むそれ以外の部分では厚くなっている。このように厚さの異なる絶縁層６２はＬＯＣＯＳ形成により容易に形成することができる。
【００３０】
絶縁層６２の中央部にくぼみ６５が形成され、厚さは一定である金属層６７の中心にもくぼみ６８が形成されている。金属層７１にはんだ層７５で半導体素子２５が接合され、金属層７２及び７３にはんだ層７６及び７７によりリードフレーム３０が接合されている。
【００３１】
第２実施例の特有の効果は以下の通りである。先ず、半導体素子２５の下方に位置する部分６３は他の部分６４よりも厚さが薄くなっている。よって、半導体素子２５の下面から熱が逃げ易くなり、半導体素子２５で発生する熱の絶縁基板６０への放熱性が向上し、温度の上昇が抑制される。
【００３２】
また、半導体素子２５の作動時に電流が流れる端子４７、端子４８及び端子４９の裏面側における絶縁性が向上し、かつ端子に加わる機械的なストレスによる絶縁層破壊の強度を向上できる。これらの端子４７から４９の下方に位置する部分６４では絶縁層６２の厚さが厚くなっているからである。
＜第３実施例＞
図５に示す第３実施例は、ベース基板８０と絶縁層８５との結合力、及び絶縁層８５と金属層９０との結合力の増大が図られている。即ち、ベース基板８０の表面に形成された複数の凹溝８１に、絶縁層８５の下面に突出した複数本の凸部８６が入り込んでいる。また、絶縁層８５の表面に凸部８６に対応して形成された形成された複数の凹溝８６に、金属層９０の下面に突出した複数の凸部９１が入り込んでいる。
【００３３】
これは、予めベース基板８０の表面に凹溝８１を形成しておき、絶縁層８５の積層時にその一部が入り込むことで凸部８６となる。また、予め絶縁層８５の積層時に形成される凹溝８７に、金属層９０の積層時にその一部が入り込むことで凸部９１となる。なお、ベース基板８０、絶縁層８５及び金属層９０の材料は上記第１実施例と同じである。
【００３４】
このようにすれば、凸部８６の凹溝８１への入り込み、及び凸条９１の凹溝８７へ入り込みにより、ベース基板８５、絶縁層８５及び金属層９０との間の結合力が強くなり、これらの間の分離が防止される。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の半導体実装用絶縁基板によれば、ベース基板が半導体材料から成る。よって、半導体素子と絶縁基板との間に介在するはんだ層の表層と裏面とで熱膨張・収縮量の差が小さく、はんだ層にクラックが発生しにくくなる。また、絶縁層の熱抵抗が小さくなる。
【００３６】
請求項２及び３の絶縁基板によれば、はんだ層におけるクラックの発生、及び絶縁層の熱抵抗の低下が一層促進される。請求項４の絶縁基板によれば、ベース基板、絶縁層及び金属層間の結合力が向上する。
【００３７】
請求項５の絶縁基板によれば、その上に搭載又は実装される部品の形状に合わせて金属層を形成することができる。請求項６の絶縁基板によれば、絶縁層の放熱特性又は絶縁特性が場所により異なる。請求項７の絶縁基板によれば、高温を発熱する部品の下方の絶縁層部分の放熱性が向上する。
【００３８】
請求項８の絶縁基板によれば、高い電圧を発生する部品の下方の絶縁層部分の絶縁耐圧性が向上する。請求項９の絶縁基板によれば境界部にクラックが発生することが防止される。請求項１０の絶縁基板によれば、厚さの異なる絶縁層の形成が容易かつ安価である。
【００３９】
請求項１１の絶縁基板によれば、部品と外部回路との接続が容易になる。請求項１２及び１３の絶縁基板によれば、部品と端子との間の導通性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す斜視図（一部破断）である。
【図２】第１実施例の平面図である。
【図３】図２における３−３断面図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す断面図である。
【図６】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０：絶縁基板                      １１：ベース基板
１２：絶縁層                        １４から１８：金属層
２５：半導体素子                    ３０：リードフレーム
３４から３６：枠部分                ４７から４９：端子
４１から４３，４４ａから４４ｄ：はんだ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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